動(dòng)力電池安全性技術(shù)解析

在動(dòng)力電池安全性標(biāo)準(zhǔn)方面，目前模塊、系統(tǒng)對熱失控的防熱誘因測試方面，以及單體、模組和系統(tǒng)的生命周期安全性測試標(biāo)準(zhǔn)缺失，亟待研究與制定。現(xiàn)行國家安全標(biāo)準(zhǔn)主要針對源自電池外部因素的安全風(fēng)險(xiǎn)，尚無檢測電池內(nèi)部熱失控的項(xiàng)目。

動(dòng)力電池?zé)崾Э嘏c擴(kuò)展分析

所謂熱失控(thermalrunaway)是指單體電池放熱連鎖反應(yīng)引起電池自溫升速率急劇變化，不可逆，引起過熱、起火、爆炸現(xiàn)象。

熱失控?cái)U(kuò)展(thermalrunawaypropagation)是指電池包，或者電池系統(tǒng)內(nèi)容的單體電池或者電池模組單元熱失控，并觸發(fā)電池系統(tǒng)中相鄰或其他部位的動(dòng)力電池的熱失控的現(xiàn)象。

圖1為清華大學(xué)得到的某款常見材料的鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э氐臋C(jī)理，可以看到熱失控發(fā)生時(shí)，各種材料相繼發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，放出大量的熱量，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)效應(yīng)，使得電池體系內(nèi)部溫度不可逆快速升高。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程中，電解液氣化及副反應(yīng)產(chǎn)氣造成電池體系內(nèi)壓力升高，電池噴閥破裂后，可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃發(fā)生燃燒反應(yīng)。單體電池的熱失控特性表現(xiàn)為其組成材料反應(yīng)熱特性的疊加。

圖1鋰離子動(dòng)力電池單體熱失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理

(1)熱失控誘因

熱失控主要誘因包括：機(jī)械誘因、電誘因和熱誘因，如圖7所示。以上誘因可單獨(dú)或者結(jié)合引發(fā)熱失控。

機(jī)械誘因引發(fā)的熱失控及擴(kuò)展引起火災(zāi)的典型案例包括全球銷量領(lǐng)先的美國通用公司的VOLT插電式混合動(dòng)力轎車在碰撞后發(fā)生著火的研究結(jié)果。以及全球最受歡迎的純電動(dòng)轎車特斯拉ModelS運(yùn)行過程中由于底盤被路上突出物刺穿，引發(fā)著火。

電誘因引發(fā)的電動(dòng)汽車著火的案例中典型代表是中國某品牌公交車在充電站由于過充電引發(fā)著火事件(如圖2所示)，以及特斯拉ModelS在冬季低溫充電發(fā)生著火的事故等，如圖3所示。

圖2電動(dòng)公交車過充引發(fā)著火

圖3低溫充電引發(fā)著火

熱觸發(fā)熱失控引起電動(dòng)汽車起火的典型例子是一輛豐田普銳斯插電式混合動(dòng)力轎車在運(yùn)行中起火，其原因是一個(gè)連接部件的松動(dòng)使得系統(tǒng)產(chǎn)生高溫，從而引發(fā)電池包的熱失控與擴(kuò)展。

電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)在水浸泡可觸發(fā)熱失控，從而引起電動(dòng)汽車著火，典型案例是南京純電動(dòng)公交車在大雨過后的積水里浸泡后一段時(shí)間后著火，如圖4所示。

圖4純電動(dòng)客車在水中浸泡一段時(shí)間后著火

以上熱失控誘因是直接可觀的，除此之外，對于使用中的電動(dòng)汽車有一個(gè)生命周期安全性問題，比如使用一段時(shí)間的電動(dòng)汽車在無任何觸發(fā)事件情況下會(huì)發(fā)生由電池部件的熱失控引發(fā)的自燃，如圖5所示公交車在場站靜置?？繒r(shí)自燃，并且引燃了附近?？康墓卉?，造成較大損失。

圖5?？吭谡緝?nèi)的電動(dòng)公交車電池包自燃(生命周期安全問題)

(2)熱失控機(jī)理

在外部誘因作用下，經(jīng)過演變過程，電池事故將會(huì)進(jìn)入“觸發(fā)”階段。一般地，進(jìn)入觸發(fā)階段之后，鋰離子動(dòng)力電池內(nèi)部的能量將會(huì)在瞬間集中釋放，此過程不可逆且不可控，即熱失控。熱失控后的電池發(fā)生劇烈升溫，在高溫下可以觀察到冒煙、起火與爆炸等危險(xiǎn)現(xiàn)象。

當(dāng)然，從廣義的“安全性”的定義來看，電池安全事故中，也可能不發(fā)生熱失控。比如電池發(fā)生碰撞事故后并不一定發(fā)生熱失控;而電池組絕緣失效造成人員高電壓觸電，電池漏液產(chǎn)生異味造成車載人員身體不適等情況下，電池也不會(huì)發(fā)生熱失控。在動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)當(dāng)中，以上情況都需要考慮。

而熱失控則是安全性事故最常見的事故原因，也是鋰離子動(dòng)力電池安全性事故特有的特點(diǎn)。大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，熱失控后的電池不一定會(huì)同時(shí)發(fā)生冒煙、起火與爆炸，也可能都不發(fā)生，這取決于電池材料發(fā)生熱失控的機(jī)理。

圖6與圖17展示了某款具有三元正極/PE基質(zhì)的陶瓷隔膜/石墨負(fù)極的鋰離子動(dòng)力電池的熱失控機(jī)理。

圖6為該款鋰離子動(dòng)力電池絕熱熱失控實(shí)驗(yàn)中的溫度與電壓曲線，根據(jù)其熱失控溫度變化的特征，將熱失控過程分為了7個(gè)階段。在不同階段，電池材料發(fā)生不同的變化。

圖7通過一系列的圖片解釋了各個(gè)階段電池材料的變化情況

對于冒煙的情況而言，在階段V，如果電池內(nèi)部溫度低于正極集流體鋁箔的熔化溫度660℃，電池正極涂層就不會(huì)隨著反應(yīng)產(chǎn)生的氣體噴出，此時(shí)觀察到的會(huì)是白煙;而如果電池內(nèi)部溫度高于660℃，正極集流體鋁箔熔化，電池正極涂層隨著反應(yīng)產(chǎn)生的氣體大量噴出，此時(shí)觀察到的會(huì)是黑煙。

對于起火的情況而言，熱失控事故中的起火一般是由于電解液及其分解產(chǎn)物被點(diǎn)燃造成的。所以，從階段II開始，從安全閥泄漏出來的電解液就有可能被點(diǎn)燃而起火。

從燃燒反應(yīng)的三要素(可燃物，氧氣，引燃物)來看，可燃物即是電解液;氧氣在電池內(nèi)部存在不足，因此電解液需要泄漏出來才會(huì)發(fā)生起火;引燃物可能來自于電池外短路產(chǎn)生的電弧，也可能來自熱失控時(shí)，高速噴出的氣體與安全閥體摩擦所產(chǎn)生的火星。

對于爆炸的情況而言，爆炸一般表現(xiàn)為高壓氣體瞬間擴(kuò)散造成的沖擊。電池內(nèi)部具有高壓氣體積聚的條件，而安全閥則是及時(shí)釋放高壓積聚氣體的關(guān)鍵。安全閥體如能在電池殼體破裂之前開啟，并釋放足夠多的在熱失控過程中產(chǎn)生的高壓氣體，電池就不會(huì)發(fā)生爆炸;安全閥體如不能及時(shí)開啟，就可能會(huì)發(fā)生爆炸事故。

動(dòng)力電池安全性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需求

安全性測試標(biāo)準(zhǔn)對于提升動(dòng)力電池的安全性水平尤為重要。基于上述動(dòng)力電池安全性問題的梳理，對相應(yīng)的安全性技術(shù)測試標(biāo)準(zhǔn)提出了迫切的需求。目前國內(nèi)采用的動(dòng)力電池安全性測試的標(biāo)準(zhǔn)主要包括和。

GB/T31485-2015主要考核動(dòng)力電池單體和模組的安全指標(biāo)，圍繞化學(xué)能的防護(hù)，給出了一系列濫用情況以及極端情況下的安全要求和檢驗(yàn)規(guī)范。GB/T31467側(cè)重于電池包或電池系統(tǒng)級(jí)的檢驗(yàn)規(guī)范。GB/T31467.3-2015主要針對安全要求和測試方法做了明確的規(guī)定。結(jié)合GB/T31485-2015，構(gòu)成了從電池單體、模組、到動(dòng)力電池包和動(dòng)力電池系統(tǒng)的完整的化學(xué)能防護(hù)規(guī)范。目前，總體上動(dòng)力電池相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)較國外嚴(yán)格。

表3GB/T31485-2015標(biāo)準(zhǔn)測試內(nèi)容

表4GB/T31467.3測試內(nèi)容

表5目前動(dòng)力電池安全性標(biāo)準(zhǔn)與需求

通過上述分析可以看出，在動(dòng)力電池安全性標(biāo)準(zhǔn)方面，目前模塊、系統(tǒng)對熱失控的防熱誘因測試方面，以及單體、模組和系統(tǒng)的生命周期安全性測試標(biāo)準(zhǔn)缺失，亟待研究與制定。